Giessener Elektronische Bibliothek

GEB - Giessener Elektronische Bibliothek

Hinweis zum Urheberrecht

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-70156
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2009/7015/


Dynamic behavior of correlated electrons in the insulating doped semiconductor Si:P

Dynamisches Verhalten korrelierter Elektronen im isolierenden dotierten Halbleiter Si:P

Ritz, Elvira


Originalveröffentlichung: (2009) Journal of Applied Physics, 103 (2008), S. 084902-1-8 , Physica Status Solidi C, 5 (2008), S. 703-707
pdf-Format: Dokument 1.pdf (2.345 KB)

Bookmark bei Connotea Bookmark bei del.icio.us
Freie Schlagwörter (Deutsch): Festkörperspektroskopie , Mikrowelle , Halbleiter , Metall-Isolator-Übergang , Elektronenwechselwirkung
Freie Schlagwörter (Englisch): solid state spectroscopy , microwave , semiconductor , metal-insulator transition , electronic interaction
PACS - Klassifikation: 84.40.-x , 71.30.+h , 72.20.Ee , 41.20.Jb , 07.57.Pt
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Theoretische Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.06.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 08.06.2009
Kurzfassung auf Englisch: At low energy scales charge transport in the insulating Si:P is dominated by
activated hopping between the localized donor electron states.
Theoretical models for a disordered electronic system with a long-range Coulomb interaction are appropriate to interpret the electric conductivity spectra.


With a novel and advanced method [2,3],
we perform broadband phase sensitive measurements of the
reflection coefficient from 45 MHz up to 5 GHz, employing a vector
network analyzer with a 2.4 mm coaxial sensor, which is terminated
by the sample under test. While the material parameters
(conductivity and permittivity) can be easily extracted from the
obtained impedance data if the sample is metallic, no direct
solution is possible if the material under investigation is an
insulator. Focusing on doped semiconductors with largely varying
conductivity and dielectric function, we present a closed calibration and evaluation
procedure with an optimized theoretical and experimental complexity, based on the rigorous
solution for the electromagnetic field inside the
insulating sample, combined with the variational principle]. Basically no
limiting assumptions are necessary in a strictly defined parameter range.


As an application of our new method, we have measured the complex broadband microwave
conductivity of Si:P in a broad range of
phosphorus concentration n/n_c from 0.56 to 0.9 relative to the
critical value n_c=3.5x10^{18} cm^{-3} of the metal-insulator transition driven by doping at temperatures down to 1.1 K, and studied unresolved issues of fundamental research concerning the electronic correlations and the metal-insulator transition.


Kurzfassung auf Deutsch: Bei niedrigen Anregungsenergien ist der Ladungstransport im isolierenden Si:P von den aktivierten Hüpfprozessen zwischen den ortsgebundenen Zuständen der Dotierungselektronen dominiert. Theoretische Modelle für ein ungeordnetes Elektronensystem mit weitreichender Coulomb-Wechselwirkung sind zur Interpretation der Spektren der elektrischen Leitfähigkeit geeignet.


Mit einer neuen und erweiterten Methode [2,3] führen wir phasenempfindliche Messungen des Reflexionskoeffizienten von 45 MHz bis 5 GHz durch, unter Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators mit einem 2.4 mm-Koaxialsensor, der mit der Probe abgeschlossen ist. Während die Materialparameter (Leitfähigkeit und dielektrische Funktion) für metallische Proben relativ einfach aus den gemessenen Impedanzdaten zu erhalten sind, ist für die isolierenden Proben keine direkte Lösung dafür möglich. Mit Schwerpunkt auf den dotierten Halbleitern mit stark unterschiedlichen Werten der Leitfähigkeit und der Permittivität, präsentieren wir eine geschlossene Prozedur der Kalibrierung und Auswertung mit optimierter theoretischer und experimenteller Komplexität, die auf einer exakten Lösung für das elektromagnetische Feld innerhalb einer isolierenden Probe in Kombination mit dem Variationsprinzip basiert. Keine einschränkenden Annahmen sind dabei in einem streng definierten Parameterintervall nötig.


Als Anwendung unserer neuen Methode haben wir die komplexwertige breitbandige Mikrowellenleitfähigkeit von Si:P in einem breiten Intervall der Dotierungskonzentrationen n/n_c von 0.56 bis 0.9 relativ zu dem kritischen Wert n_c=3.5x10^{18} cm^{-3} des Metall-Isolator-Übergangs bei Temperaturen bis zu 1.1 K herunter gemessen und ungelöste Fragen der Grundlagenforschung über die Elektronenkorrelationen und den Metall-Isolator-Übergang studiert.